Qt學習筆記之可重入與線程安全

簡述

本篇文章中，術語“可重入性”和“線程安全”被用來標記類與函數，以表明它們如何被應用在多線程應用程序中。

• 一個線程安全的函數可以同時被多個線程調用，甚至調用者會使用共享數據也沒有問題，因為對共享數據的訪問是串行的。

• 一個可重入函數也可以同時被多個線程調用，但是每個調用者只能使用自己的數據。

因此，一個線程安全的函數總是可重入的，但一個可重入的函數並不一定是線程安全的。

擴展開來，一個可重入的類，指的是它的成員函數可以被多個線程安全地調用，只要每個線程使用這個類的不同的對象。而一個線程安全的類，指的是它的成員函數能夠被多線程安全地調用，即使所有的線程都使用該類的同一個實例也沒有關系。

注意： Qt的一些類被設計為線程安全的，如果它們的目的是多線程。如果一個函數沒有被標記為線程安全的或可重入的，它就不應該被不同的線程使用。如果一個類沒有被標記為線程安全的或可重入的，該類的實例就不應該被多個線程訪問。

• 簡述
• 可重入性
• 線程安全
• Qt類的注意事項
• 更多參考

可重入性

C++的類往往是可重入的，這只是因為它們只能訪問自己的數據。任何線程都能訪問一個可重入類實例的一個成員函數，只要同一時間沒有其它線程調用該實例的成員函數。例如，下面的Counter類就是可重入的：

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { ++n; }
    void decrement() { --n; }
    int value() const { return n; }

private:
    int n;
};

該類不是線程安全的，因為如果多個線程試圖修改數據成員n，則結果是不確定的。這是因為++和–操作都不總是原子性的。事實上，它們一般被展開為3條機器指令：

1. 將變量值裝入寄存器
2. 增加或減少寄存器中的值
3. 將寄存器中的值寫回內存

如果線程A和線程B同時將變量的舊值裝入寄存器，增加寄存器中的值，再寫回內存，它們最終會互相覆蓋，導致變量值僅增加了一次！

線程安全

顯然，訪問應該是串行的： 線程A必須在無中斷的情況下執行完1.2.3.三個步驟（原子性），然後線程B才能開始執行，反之亦然。一個使類是線程安全的簡單方法就是用一個QMutex來保護數據成員的所有訪問。

class Counter
{
public:
    Counter() { n = 0; }

    void increment() { QMutexLocker locker(&mutex); ++n; }
    void decrement() { QMutexLocker locker(&mutex); --n; }
    int value() const { QMutexLocker locker(&mutex); return n; }

private:
    mutable QMutex mutex;
    int n;
};

QMutexLocker類在其構造函數中自動鎖定mutex，並且當析構函數被調用時解鎖。鎖定mutex保證了其它線程的訪問都將是串行化的。mutex數據成員被聲明為mutable的，這是因為value()是一個const函數，我們需要在其中lock和unlock該mutex。

Qt類的注意事項

許多Qt的類都是可重入的，但不是線程安全的，因為線程安全意味著為鎖定與解鎖一個QMutex增加額外的開銷。例如：QString是可重入的，但不是線程安全的。你能夠同時從多個線程訪問不同的QString的實例，但不能同時從多個線程訪問QString的同一個實例（除非用QMutex保護訪問）。

有些Qt的類和函數是線程安全的。它們主要是線程相關類（例如：QMutex）和一些基本函數（例如： QCoreApplication::postEvent()）。

注意： 多線程領域中的術語並不是完全標准化的。POSIX使用的可重入和線程安全的定義有些不用於它的C API。當Qt和其它面向對象的C++類庫一起使用時，確保定義的理解。